DE102014016712A1

DE102014016712A1 - Gasmesschip, transportables Chipmesssystem und Verfahren zum Betrieb eines transportablen Chipmesssystems

Info

Publication number: DE102014016712A1
Application number: DE102014016712.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bäther; Stefan Lehmann
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2034-11-14
Also published as: DE102014016712B4; WO2016074788A1; US20170322171A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gasmesschip 10, zur Verwendung mit einem Gasmessgerät 100 eines transportablen Chipmesssystems, wobei der Gasmesschip 10 einen Träger 11 und wenigstens zwei Messkanäle 20, 20', 20'' aufweist. Es ist vorgesehen, dass in jedem Messkanal 20, 20', 20'' wenigstens ein regenerationsfähiger, nichtverbrauchender Sensor 30, 30', 30'' angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein transportables Chipmesssystem mit einem solchen Gasmesschip und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems, wobei das Verfahren wenigstens die Schritte umfasst: Einsetzen des Gasmesschips 10 in das Gasmessgerät 100 und Anschließen wenigstens eines Messkanals 20, 20', 20'' des Gasmesschips 10 an das Pumpsystem 120, 121 des Gasmessgerätes 100; Durchführung einer Messung mit einem ersten Messkanal 20, 20', 20''; Umschalten auf einen von dem ersten Messkanal 20, 20', 20'' verschiedenen Messkanal 20, 20', 20''; Regenerieren der Sensoren 30, 30', 30'' des zuletzt verwendeten Messkanals 20, 20', 20'' und optional gleichzeitiges Durchführen einer Messung mit dem Messkanal 20, 20', 20''; auf den im vorangehenden Schritt umgeschaltet wurde; Umschalten auf einen Messkanal 20, 20', 20'', der von dem im vorangehenden Schritt zur Messung verwendeten Messkanal 20, 20', 20'' verschieden ist; optional Wiederholen der Schritte d. und e..

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasmesschip gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein transportables Chipmesssystem gemäß Anspruch 11 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines transportablen Chipmesssystems gemäß Anspruch 12.
Bekannte Gasmesschips (Chips) haben typischerweise einen Chipkarten ähnlichen Träger, auf dem eine Reihe von Glaskapillaren angeordnet sind. Jede Glaskapillare bildet dabei einen Messkanal und ist typischerweise mit einem Nachweisreagenz befüllt, durch welches ein zu untersuchender Gasstrom hindurch geleitet werden kann, wenn der Chip in eine entsprechende Aufnahme eines Gasmessgerätes eingesetzt ist. Gasmesschip und Gasmessgerät bilden dabei gemeinsam ein transportables Chipmesssystem. Ist in dem Gasstrom, der durch die Kapillare geleitet wird, ein passender Analyt enthalten, so kann dieser mit dem Nachweisreagenz in der Glaskapillare reagieren und es kann zu einem Farbumschlag kommen. Dieser kann dann von einer entsprechenden Baugruppe des Gasmessgerätes – beispielsweise einer Kamera – registriert werden. Solche Systeme werden üblicherweise eingesetzt, um vor Ort schnell und sicher feststellen zu können, ob entsprechende Grenzwerte von toxischen Gasen oder Dämpfen in der Umgebungsluft eingehalten oder überschritten werden – etwa an einer Unfallstelle oder an Arbeitsplätzen im industriellen Umfeld mit potentiell hoher Belastung.
Gasmesschip und Gasmessgerät sind dabei üblicherweise so ausgestaltet, dass bei einer Messung jeweils ein auf dem Chip angeordneter Messkanal – das heißt eine der Glaskapillaren – mit einem Pumpsystem des Gasmessgerätes verbunden werden kann. Das Pumpsystem kann dann die zu untersuchende Gasprobe durch die Kapillare hindurch saugen oder pumpen und die zur Auswertung vorgesehene Baugruppe, etwa die oben genannte Kamera, kann dabei beobachten, ob es in der Kapillare zu einem Farbumschlag kommt.
Problematisch kann es bei diesen Systemen jedoch sein, dass mit Hilfe einer Messkapillare stets nur ein spezifischer Analyt nachweisbar ist. Welcher Analyt dies ist, ist jeweils abhängig von den Reagenzien, mit welchen die Kapillare befüllt ist. Zudem kann jede Kapillare nur einmal verwendet werden. Der logistische Aufwand für den Nachweis mehrerer verschiedener Analyte mit Hilfe eines solchen Systems ist entsprechend relativ hoch. Dies gilt insbesondere, wenn der Nachweis kontinuierlich über einen längeren Zeitraum geführt werden soll.
Zum gleichzeitigen Nachweis und zur Unterscheidung mehrerer unterschiedlicher Analyte sind neben den oben beschriebenen Chipmesssystemen (CMS) auch Sensorarrays bekannt, bei denen verschiedene Sensoren auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind und gleichzeitig mit einer zu untersuchenden Gasprobe beaufschlagt werden (K. Albert et al, Chem. Rev. 2000, 100, 2595–2626). Solche Arrays können jedoch sehr leicht Memory-Effekte zeigen, beispielsweise beim Auftreten unerwartet hoher Analytkonzentrationen. In der Folge kann es zu sehr langen Erholungszeiten (Regenerationszeiten) für den Sensor und – für den Anwender – zu langen Wartezeiten zwischen den Messungen kommen.
Ziel der Erfindung ist es daher, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte Sensorik, insbesondere einen verbesserten Gasmesschip und ein verbessertes Chipmesssystem, zu schaffen. Dabei ist es beispielsweise wünschenswert, dass das Chipmesssystem zeitgleich mehrere Analyte quantitativ messen kann. Besonders wünschenswert ist es, dass das Chipmesssystem auch durch unerwartet hohe Analytkonzentrationen nicht in seiner Zuverlässigkeit beeinflusst wird. Die verbesserte Sensorik, insbesondere der verbesserte Gasmesschip und das verbesserte Chipmesssystem, sollen einfach und schnell handhabbar sowie möglichst günstig herstellbar sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Gasmesschip entsprechend Anspruch 1, sowie ein transportables Chipmesssystem entsprechend Anspruch 11 und ein Verfahren zum Betrieb eines transportablen Chipmesssystems entsprechend Anspruch 12 vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der anhängigen Ansprüche.
Bei einem Gasmesschip zur Verwendung mit einem Gasmessgerät eines transportablen Chipmesssystems, wobei der Gasmesschip einen Träger und wenigstens zwei Messkanäle aufweist, sieht die Erfindung vor, dass in jedem Messkanal wenigstens ein regenerationsfähiger, nichtverbrauchender Sensor angeordnet ist.
Unter einem Gasmesschip wird allgemein ein Träger, bevorzugt ein plattenförmiger – insbesondere Chipkarten-förmiger – Träger, mitsamt den auf dem Träger befindlichen Sensoren verstanden. Die Sensoren können dabei auf einen oder mehrere spezielle nachzuweisende Analyte abgestimmt sein. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Gasmesschips liegt darin, dass in den Messkanälen Sensoren angeordnet sind. Unter einem Sensor kann dabei im weitesten Sinne ein technisches Bauteil verstanden werden, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder quantitativ erfassen kann und die erfassten Merkmale direkt oder indirekt in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umformen kann. Die Auswertung der Messsignale kann mithin durch die Weiterleitung und Analyse der von den Sensoren gelieferten elektrischen Signale erfolgen. Vorteilhaft ist es dabei auch, dass es sich bei den Sensoren der erfindungsgemäßen Gasmesschips um regenerationsfähige und nichtverbrauchende Sensoren handelt. Nichtverbrauchende Sensoren benötigen keine chemischen Reagenzien, die nach einer entsprechenden Wechselwirkung mit einem Analyten wieder aufgefüllte werden müssten. Es werden auch weder Sauerstoff noch andere Bestandteile der Luft für eine Nachweisreaktion oder dergleichen benötigt. Bei solchen Sensoren erfolgt die Wechselwirkung mit einem nachzuweisenden Analyten typischerweise durch die Adsorption des Analyten an eine Oberfläche des Sensors, was ein entsprechendes elektrisches Signal auslöst. Ist der Sensor regenerationsfähig, so kann er nach einer ersten Wechselwirkung mit dem Analyten wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehren, so dass in einer zweiten Messung erneut eine entsprechende Wechselwirkung mit einem Analyten eingegangen werden und ein erneutes Signal ausgelöst werden kann. Bei der Rückkehr in den Ausgangszustand findet typischerweise eine Desorption des zuvor adsorbierten Analyten statt. Diese Regenerationsfähigkeit kann sich üblicherweise auf eine nahezu unbegrenzte Anzahl aufeinander folgender Messungen erstrecken. Günstig ist es in diesem Zusammenhang auch, wenn die Sensoren kontinuierlich messende Sensoren sind.
Ein weiterer großer Vorteil eines erfindungsgemäßen Gasmesschips ist, dass er als Gasmesschip in einem System aus Gasmessgerät und Gasmesschip verwendbar ist, das heißt, dass er zur Verwendung mit einem Gasmessgerät eines transportablen Chipmesssystems geeignet ist. Erfindungsgemäß ist ein Gasmesschip dann zur Verwendung mit einem Gasmessgerät eines transportablen Chipmesssystems geeignet, wenn er in eine Aufnahme eines entsprechenden Gasmessgerätes einsetzbar ist, wenn die Messkanäle des Gasmesschips an ein Pumpsystem des Gasmessgerätes anschließbar sind, so dass eine zu untersuchende Gasprobe durch einen oder mehrere der Messkanäle strömen kann, und wenn von den Sensoren gewonnene Informationen bzw. Signale an das Gasmessgerät übertragbar oder von dem Gasmessgerät auslesbar sind. Man erkannt insofern, dass ein Gasmessgerät, mit welchem ein erfindungsgemäßer Gasmesschip verwendet werden kann, eine Aufnahme für den Gasmesschip, ein Pumpsystem und vorteilhafter Weise eine Auswerteeinheit aufweist. Es ist vorstellbar, dass das Gasmessgerät auch ein zweites Pumpsystem, optional ein Transportsystem für den Gasmesschip in der Aufnahme sowie weitere Bauteile, wie etwa eine Energieversorgung, ein Bedienerinterface und dergleichen aufweist. Vorteilhaft ist es dabei, wenn in der Aufnahme des Gasmessgerätes eine Verbindungvorrichtung ausgebildet ist, die dazu dient, die Messkanäle des Gasmesschips mit dem Pumpsystem des Gasmessgerätes zu verbinden.
Man erkennt insofern, dass es vorteilhaft ist, wenn die Messkanäle dazu ausgebildet sind, mit einem Pumpsystem des Gasmessgerätes verbunden zu werden. Jeder Messkanal hat dabei einen Gaseinlass und einen Gasauslass. Durch den Gaseinlass kann eine Gasprobe, die untersucht werden soll, in den Messkanal hineinströmen. Durch den Gasauslass kann die Gasprobe aus dem Messkanal wieder hinaus strömen. Gaseinlass und Gasauslass können mit Septumdichtungen verschlossen sein. Diese Septumdichtungen können beispielsweise beim Einsetzen des Gasmesschips in die Aufnahme des Gasmessgerätes mit Hilfe eines Nadelsystems, das als Verbindungsvorrichtung dient, aufgestochen werden. Das Nadelsystem kann auf diese Weise eine Verbindung zu dem Pumpsystem des Gasmessgerätes herstellen. Es ist insofern zweckmäßig, wenn Gaseinlass und Gasauslass der auf dem Gasmesschip angeordneten Messkanäle derart auf dem Träger angeordnet sind, dass ihre Lage bei in dem Gasmessgerät eingesetzten Chip der Lage der Nadeln in der Aufnahme des Gasmessgerätes entspricht.
Die Messkanäle können beispielsweise als Kapillare ausgebildet sein. Denkbar ist auch, dass die Messkanäle als Rinnen in der Oberfläche des Trägers ausgebildet sind. Diese Rinnen können mit einer Abdeckung derart dicht versehen sein, dass die Gasprobe zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass genau wie durch eine geschlossene Röhre oder Kapillare durch die Rinne hindurchströmen kann. Die Messkanäle haben bevorzugt eine lineare Form und sind ebenfalls bevorzugt parallel zueinander auf dem Träger des Gasmesschips angeordnet. Andere Anordnungen und Formgebungen sind selbstverständlich auch vorstellbar. Wichtig ist dabei stets, dass Gaseinlass und Gasauslass, wie oben beschrieben mit dem Pumpsystem des Gasmessgerätes verbindbar sind. Verbindbar sind Gaseinlass und Gasauslass typischerweise dann mit dem Pumpsystem, wenn das Pumpsystem wenigstens einen Gasauslass aufweist, durch welchen eine Gasprobe ausströmen kann, sowie einen Gaseinlass, durch welchen eine Gasprobe in den Messkanal und dann in das Pumpsystem strömen kann. Sind der Gaseinlass und der Gasauslass des Messkanales mit dem Pumpsystem verbindbar, so sind der Gaseinlass des Messkanals, der Gaseinlass des Pumpsystems, der Gasauslass des Messkanals sowie der Gasauslass des Pumpsystems jeweils miteinander derart strömungsverbunden, dass die Gasprobe entsprechend vom Pumpsystem in den Messkanal und zurück strömen kann.
Zweckmäßig ist es dabei auch, wenn der Gasmesschip eine Kontaktvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, Informationen der Sensoren an eine Auswerteeinheit des Gasmessgerätes zu übermitteln. Mit anderen Worten, der Gasmesschip kann eine elektronische Kontaktfläche zur Übertragung von Messdaten der Sensoren an das Gasmessgerät aufweisen. Diese Kontaktfläche kann beispielsweise ein Kontaktstreifen oder eine entsprechende Leiterplatte sein, der bzw. die im seitlichen Bereich des Trägers ausgebildet ist und der bzw. die über elektrische Verbindungen mit den Sensoren, die in den Messkanälen angeordnet sind, gekoppelt ist. Dabei kann sowohl eine gemeinsame Kontaktfläche für alle Messkanäle als auch für jeden Messkanal eine separate Kontaktfläche auf dem Gasmesschip ausgebildet sein. Ist der Gasmesschip in die Aufnahme eines Gasmessgerätes eingesetzt, so steht die derart ausgebildete Kontaktvorrichtung bevorzugt mit einer entsprechenden in der Aufnahme des Gasmessgerätes ausgebildeten Gegenkontaktfläche in elektrisch leitendem Kontakt. Die elektrischen Signale der Sensoren können auf diese Weise vom Gasmesschip zum Gasmessgerät und dort weiter an eine Auswerteeinheit des Gasmessgerätes übertragen werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist es zudem vorteilhaft, wenn der Gasmesschip einen Informationsträger aufweist, der dazu geeignet ist Informationen über den Gasmesschip an das Gasmessgerät zu übermitteln. Bei den durch diesen Informationsträger bereitgestellten Informationen kann es sich beispielsweise um Informationen über Alter des Chips, Art und Menge der auf dem Chip angeordneten Sensoren, bestimmte Messbedingungen und entsprechende weitere Informationen, die die Auswerteeinheit des Gasmessgerätes benötigt, um die übermittelten elektrischen Signale des Sensoren auswerten zu können, handeln. Im einfachsten Fall ist der Informationsträger ein optischer Informationsträger, beispielsweise ein Barcode oder ein QR-Code. Vorstellbar sind selbstverständlich aber auch andere Varianten, beispielsweise ein RFID-Tag oder Datenspeichervorrichtungen. In jedem Fall ist es dann günstig, wenn das Gasmessgerät eine entsprechende Ausleseeinheit aufweist, die die Informationen des Informationsträgers erfassen und entsprechend an die Auswerteeinheit des Gasmessgerätes weitergeben kann. Denkbar ist auch, dass die Auswerteeinheit des Gasmessgerätes die Informationen des Informationsträgers selbst auslesen kann. In einer besonderen Ausführungsvariante ist auch vorstellbar, dass der Informationsträger mit der Kontaktvorrichtung des Gasmesschips verbunden ist. Das Auslesen des Informationsträgers kann dann direkt durch die Auswerteeinheit des Gasmessgerätes erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sieht die Erfindung vor, dass in wenigstens einem Messkanal mehrere regenerationsfähige, nichtverbrauchende Sensoren angeordnet sind. Dabei können die Sensoren jeweils für unterschiedliche Analyte empfindlich sein. Auf diese Weise kann eine Gasprobe, die durch diesen Messkanal strömt, auf eine Vielzahl verschiedener Analyte gleichzeitig untersucht werden. Besonders günstig ist es, wenn in mehreren oder gar in jedem Messkanal mehrere regenerationsfähige, nicht verbrauchende Sensoren angeordnet sind. Dabei können in jedem Messkanal die gleichen oder eine unterschiedliche Auswahl von Sensoren angeordnet sein. Auch die Anzahl der Sensoren in den Messkanälen eines Gasmesschips kann entsprechend gleich oder unterschiedlich sein. Denkbar ist auch, dass jeweils wenigstens zwei Messkanäle mit der gleichen Auswahl und/oder Anzahl von Sensoren versehen sind. Auf diese Weise kann die Vielfalt der Analyte, die mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Gasmesschips nachweisbar, zusätzlich erhöht werden.
Vorteilhaft ist es in jedem Fall auch, wenn die Sensoren innerhalb eines Messkanals in Reihe angeordnet sind. Dies ermöglicht zum Beispiel eine schmale und lineare Bauform des Messkanals und in der Folge eine Platz sparende Anordnung mehrerer Messkanäle nebeneinander auf dem Gasmesschip.
Zweckmäßig ist es außerdem, wenn die Sensoren ausgewählt sind aus Cantilever-Sensoren, surface-acoustic-wave-Sensoren, Quarzmikrowaagen, optischen Systemen, Feldeffekttransistor-Systemen oder dergleichen, bevorzugt Feldeffekttransistor-Systemen, ganz bevorzugt CCFET-Sensoren. Insbesondere CCFET-Sensoren bieten dabei nämlich den Vorteil, dass sie sehr bauklein sind, einen sehr geringen Energiebedarf haben, innerhalb kurzer Zeit in Betrieb genommen werden und mit MEMS-Technologie in großen Stückzahlen hergestellt werden können. Solche CCFET-Sensoren (Capacitively-Controlled Field Effect Transistor Sensoren) zeichnen sich typischerweise dadurch aus, dass eine gassensitive Schicht, an die ein Analyt adsorbieren kann, kapazitiv über eine oder mehrere Elektroden mit einem Feldeffekttransistor gekoppelt ist. Die Adsorption des Analyten an die gassensitive Schicht führt dann zu einer Änderung der am Feldeffekttransistor anliegenden Spannung. Diese Spannungsänderung kann in letzter Konsequenz als elektrisches Signal von der Auswerteeinheit des Gasmessgerätes erkannt und entsprechend ausgewertet werden.
Man erkennt, dass es günstig ist, wenn in wenigstens einem der Messkanäle eine Leiterplatte angeordnet ist, auf der die Sensoren dieses Messkanals angeordnet sind. Mit Hilfe einer solchen Leiterplatte können entsprechende elektrische Signale, die die Sensoren bei einer Wechselwirkung mit einem Analyten liefern, direkt oder indirekt an das Gasmessgerät weitergeleitet werden. Dabei kann die Leiterplatte in elektrisch leitender Verbindung mit der oben beschriebenen Kontaktvorrichtung, beispielsweise einer entsprechenden Kontaktfläche, stehen.
In einer Ausführungsvariante ist es vorstellbar, dass wenigstens ein Messkanal mehrere Sensoren aufweist, die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen. Denkbar ist es dabei auch, dass alle Sensoren eines solchen Messkanals auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen. Zusätzlich oder alternativ ist es selbstverständlich auch denkbar, dass alle Sensoren eines Messkanals auf dem gleichen Messprinzip beruhen. Ein erfindungsgemäßer Gasmesschip kann dabei sowohl Messkanäle aufweisen, bei denen alle Sensoren oder mehrere Sensoren auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen, und gleichzeitig Messkanäle aufweisen, bei denen alle Sensoren auf dem gleichen Messprinzip beruhen.
In einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung bei einem transportablen Chipmesssystem mit einem Gasmesschip und einem transportablen Gasmessgerät, wobei das Gasmessgerät eine Aufnahme, in welche der Gasmesschip einsetzbar ist, wenigstens ein Pumpsystem und eine Auswerteeinheit aufweist, vor, dass der Gasmesschip ein erfindungsgemäßer Gasmesschip, wie oben beschrieben, ist. Man erkennt, dass der große Vorteil dieses transportablen Chipmesssystems wiederum darin liegt, dass in den Messkanälen des Gasmesschips regenerationsfähige, nichtverbrauchende Sensoren angeordnet sind. Auf diese Weise kann, wie man aus den obigen Ausführungen erkennt, die Analytvielfalt, die mit Hilfe dieses Systems nachweisbar ist, deutlich erhöht werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Sensoren in mehreren Messkanälen angeordnet sind. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Memory-Effekt wirksam umgangen werden. Wird beispielsweise ein Sensor, der in einem ersten Messkanal angeordnet ist, für eine erste Messung oder für den Start einer Messung verwendet und wird dieser Sensor plötzlich unerwartet hohen Analytkonzentrationen ausgesetzt, so ist es bei dem erfindungsgemäßen transportablen Chipmesssystem wie auch bei dem erfindungsgemäßen Gasmesschip möglich, die Messung fortzusetzen, indem auf den nächsten Messkanal, in welchem beispielsweise ein ähnlicher Chip angeordnet ist, umgeschaltet wird. Dieses Umschalten kann beispielsweise realisiert werden, indem der Chip innerhalb der Aufnahme des Gasmessgerätes verschoben wird, sodass ein anderer Messkanal mit seinem Gaseinlass und Gasauslass mit dem Pumpsystem des Gasmessgerätes verbunden ist. Dabei ist es günstig, wenn ein entsprechendes Gasmessgerät eine dazu ausgebildete Transportvorrichtung aufweist. Alternativ ist auch vorstellbar, dass alle Messkanäle des Gasmesschips mit dem Pumpsystem verbunden sind. Dabei wird jedoch nur der jeweils zur Messung verwendete Gasmesskanal vom Pumpsystem mit einer entsprechenden Gasprobe versorgt. Alle übrigen Kanäle sind in dieser Zeit blind geschaltet. In jedem Fall können die Sensoren, die in den jeweils gerade nicht von der Gasprobe durchströmten Messkanälen angeordnet sind, regenerieren.
Zum Nachweisen eines bestimmten Analyten in einer Gasprobe kann das erfindungsgemäße transportable Chipmesssystem mithin wie folgt verwendet werden. Zur Messung wird zunächst ein geeigneter Gasmesschip, nämlich ein erfindungsgemäßer, wie oben beschriebener, Gasmesschip, in die Aufnahme des Gasmessgerätes eingelegt oder eingeführt. Der Informationsträger des Gasmesschips stellt dabei zur Messung erforderliche Sensor-spezifische oder Gasmesschip-spezifische Daten an das Gasmessgerät zur Verfügung. Diese Daten können beispielsweise über die Kontaktvorrichtung des Gasmesschips an das Gasmessgerät übertragen werden. Vorstellbar ist jedoch auch, dass diese Daten, wie oben dargestellt, mit Hilfe einer Auslesevorrichtung des Gasmessgerätes ausgelesen werden. Bei den Daten kann es sich beispielsweise um den Namen des Analyten, den Messbereich des Sensors, die Messdauer oder weitere Analyt spezifische Daten handeln.
Ist der Gasmesschip in die Aufnahme eingesetzt, wird wenigstens ein erster der Messkanäle des Gasmesschips mit dem Pumpsystem des Gasmessgerätes verbunden. Dazu werden der Gaseinlass und der Gasauslas jenes Messkanals so mit dem Pumpsystem in der Verbindung gebracht, dass eine Gasprobe, welche das Gasmessgerät aus der Umgebung angesaugt hat durch den Messkanal gepumpt werden kann. Günstig ist es dabei, wenn im Bereich der Aufnahme des Gasmessgerätes ein Nadelsystem ausgebildet ist, welches beispielsweise Septumdichtungen, die wie oben beschrieben über Gaseinlass und Gasauslass angeordnet sein können, aufstechen kann. Die Nadeln des Nadelsystems können dabei gleichzeitig eine Strömungsverbindung zwischen dem Pumpsystem im Gasmessgerät und dem Messkanal herstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden alle Gaseinlässe und Gasauslässe aller Messkanäle des Gasmesschips mit dem Gasmessgerät über ein Nadelsystem verbunden. Das Gasmessgerät kann dabei auch ein zusätzliches Pumpsystem aufweisen, welches vor der ersten Messung für eine Spülung und damit Nullung der Sensoren des Gasmesschips verwendet wird. Dieses zusätzliche Pumpsystem kann beispielsweise mit einem Kreislauffiltersystem versehen sein. Es kann mithin zunächst saubere, das heißt analytfreie Luft durch die frisch aufgestochenen Messkanäle pumpen. Diese saubere Luft kann dann in einem ersten Schritt zur Nullung des Systems verwendet werden. Ist das System gereinigt bzw. genullt, so kann mit der Messung begonnen werden. Denkbar ist auch, dass auf diesem Weg eine Kalibrierung des Systems durchgeführt wird. Dazu kann die saubere Luft eine definierte Menge eines bestimmten Analyten enthalten. Eine solche Kalibrierung wird zweckmäßigerweise bei einer ebenfalls zuvor definierten Temperatur durchgeführt.
In jedem Fall beginnt die tatsächliche Messung bei erfindungsgemäßen transportablen Chipmesssystemen dann, indem die zu untersuchende, analythaltige Probeluft durch einen ersten Messkanal gesaugt wird. In Abhängigkeit von der Konzentration des oder der Analyten gibt der Sensor bzw. geben die Sensoren das zugehörige Messsignal aus. Dieses wird über die Kontaktvorrichtung des Gasmesschips an das Gasmessgerät und dort an die Auswerteeinheit weitergeleitet.
Neben der bereits oben genannten erhöhten Analytvielfalt und der Vermeidung von Memory-Effekten, erkennt man, dass ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen transportablen Chipmesssystems darin liegt, dass auch bei sehr hohen Analytkonzentrationen über einen längeren kontinuierlichen Zeitraum Messungen möglich sind. Tritt beispielsweise der Fall ein, dass ein Sensor in einem der Messkanäle einer sehr hohen Analytkonzentration ausgesetzt wird, so erreicht die Sensorkapazität schnell eine gewisse Analytsättigung. Darüber hinaus zusätzlich enthaltene Analytmengen, können von diesem Sensor dann nicht mehr gemessen werden und die entsprechenden elektrischen Signale erreichen einen Maximalwert. Nach Erreichen dieses Maximalwertes benötigt dieser Sensor jedoch eine gewisse Erholungszeit (Regenerationszeit) um mit weiteren Analyten wechselwirken zu können. In dieser Zeit ist eine unmittelbare Weiterverwendung des Sensors nicht möglich. Diese Situation ist jedoch anhand der Messsignalkurve des Sensors erkennbar. So kann beispielsweise die Auswerteeinheit diese Situation automatisch erkennen oder ein Anwender kann diese Situation durch eine entsprechende Anzeige auf einem Display oder dergleichen erkennen.
Erfindungsgemäß kann in einem solchen Fall auf einen zweiten Messkanal umgeschaltet werden. Die Messung kann dann mit einem in diesem zweiten Messkanal angeordneten Sensor fortgesetzt werden. Das Umschalten kann dabei beispielsweise geschehen, indem der Chip entsprechend in der Aufnahme verschoben wird. Alternativ ist auch denkbar, dass das Pumpsystem des Gasmessgerätes über weitere Nadelsysteme den zweiten Meßkanal mit der Gasprobe versorgt. Es ist sowohl vorstellbar, dass das Umschalten automatisch – beispielsweise durch einen entsprechenden Steuerbefehl, den die Auswerteeinheit ausgibt – oder manuell durch eine Eingabe des Anwenders erfolgt. Nach diesem Umschalten strömt durch den ersten Messkanal keine Gasprobe mehr. Der in diesem Messkanal befindliche – kontaminierte – Sensor kann insofern regenerieren. Um die Regeneration dieses Sensors zu unterstützen, kann der Messkanal auf eine geeignete Temperatur T_R aufgeheizt werden. Weist das Gasmessgerät ein zweites Pumpensystem auf, welches wie oben beschrieben beispielsweise Kalibrierluft enthält, so kann dieser Messkanal zusätzlich mit der Kalibrierluft gespült werden, bis die Kontamination verschwunden ist.
In einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung mithin ein Verfahren zum Betrieb eines transportablen Chipmesssystems mit den Schritten vor:

a) Einsetzen des Gasmesschips in das Gasmessgerät und Anschließen wenigstens eines Messkanales des Gasmesschips an das Pumpsystem des Gasgerätes,
b) Durchführung einer Messung mit einem ersten Messkanal,
c) Umschalten auf einen von dem ersten Messkanal verschiedenen Messkanal,
d) Regenerieren der Sensoren des zuletzt verwendeten Messkanals und optional gleichzeitiges Durchführen einer Messung mit dem Messkanal, auf den im vorangehenden Schritt umgeschaltet wurde,
e) Umschalten auf einen Messkanal, der von dem im vorangehenden Schritt zur Messung verwendeten Messkanal verschieden ist,
f) Optional Wiederholen der Schritte d) und e).

Zum Einsetzen des Gasmesschips in das Gasmessgerät entsprechend Schritt a) kann ein erfindungsgemäßer Gasmesschip einfach in die Aufnahme des Gasmessgerätes eingeschoben werden. Bei dem anschließend ebenfalls gemäß Schritt a) erfolgenden Anschließen des wenigstens einen Messkanals des Gasmesschips an das Pumpsystem des Gasmessgerätes wird der entsprechende Messkanal bzw. werden die Messkanäle wie bereits oben beschrieben mit dem Pumpsystem verbunden, beispielsweise mit Hilfe eines Nadelsystems.
Die Messung entsprechend Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt, indem mit Hilfe des Pumpsystems des Gasmessgerätes die zu untersuchende Gasprobe durch den gewünschten Messkanal gesaugt oder gepumpt wird. Dabei strömt die Gasprobe an dem bzw. den in dem Messkanal angeordneten Sensoren vorbei. Sind entsprechende Analyte in der Gasprobe enthalten können sie mit den passenden Sensor wechselwirken und es wird ein entsprechendes elektrisches Signal von dem Sensor über die Kontaktvorrichtung an das Gasmessgerät weitergegeben. Bei dieser Messung erfolgt die Ermittlung und Anzeige der Analytkonzentration in Abhängigkeit von der Analytkonzentration und der Sensorart nach einer gewissen Zeit t_K. t_K kann zum Beispiel dem t₉₀-Wert entsprechen, das heißt 90% des Maximalwertes einer gegebenen Konzentration. t_K sollte in einem Bereich von wenigen Sekunden bis Minuten liegen, ebenso wie die Erholzeit (= Regenerationszeit, das heißt diejenige Zeit, in der der Sensor beispielsweise auf 10% des Maximalwertes zurückgeht). Wird das Messsystem jedoch mit einer sehr hohen Analytkonzentration beaufschlagt, kann die Erholzeit deutlich verlängert werden, so dass mitunter über einen Zeitraum von zum Beispiel einer Stunde keine Messung mehr durchgeführt werden kann. In diesem Fall wird entsprechend Schritt c) auf einen nächsten Kanal umgeschaltet, der dann für die Messung benutzt werden kann.
Das Umschalten entsprechend Schritt c) kann beispielsweise erfolgen indem der Gasmesschip in der Aufnahme des Gasmessgerätes entsprechend transportiert wird, so dass ein neuer Messkanal an das Pumpsystem des Gasmessgerätes angeschlossen ist. Alternativ kann das Pumpsystem auch innerhalb des Gasmessgerätes umgeschaltet werden, so dass ein entsprechender neuer Messkanal von der zu untersuchenden Gasprobe durchströmt wird.
Das Messen in Schritt d) und das Umschalten in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt analog zu dem Messen und Umschalten gemäß der Schritte b) und c).
Nachdem von einem zuvor für eine Messung verwendeten Messkanal auf einen neuen Messkanal umgeschaltet wurde, können die in dem erstgenannten Messkanal angeordneten Sensoren entsprechend Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens regenerieren. Im einfachsten Fall kann dies geschehen, indem der jeweilige Messkanal, das heißt die in dem Messkanal angeordneten Sensoren, für eine gewisse Zeit t_R nicht mit einer entsprechend zu analysierenden Gasprobe beaufschlagt wird. Während dieser Zeit kann der an der Oberfläche der kontaminierten Sensoren adsorbierte Analyt wieder desorbieren, bis die Sensoren wieder für eine Messung bereit sind.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist vorgesehen, dass das Regenerieren der Sensoren in Schritt d) das Ausheizen der Messkanäle umfasst. Das Erhöhen der Temperatur in dem Messkanal unterstützt die Desportion der an den Sensoroberflächen adsorbierten Analyten. Dies kann zusätzlich durch Spülen mit analytfreier Luft, beispielsweise Luft, die durch ein zweites Pumpsystem als Kalibierluft zugeführt wird, unterstützt werden.
Man erkennt, dass ein einzelner Messkanal, bzw. die Sensoren in einem solchen Messkanal, umso länger entsprechend Schritt d) regenerieren kann bzw. können, je mehr Messkanäle der erfindungsgemäße Gasmesschip zur Verfügung hat. Es ist mithin vorteilhaft, wenn der Gasmesschip mehr als zwei, bevorzugt fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr Messkanäle aufweist. Beträgt die Messdauer wie oben bereits genannt t_K, so kann ein zu regenerierender Kanal über einen Zeitraum regeneriert werden, der sich aus dem Produkt der Messdauer t_K und der Anzahl der Kanäle minus 1 ergibt. Man erkennt in diesem Zusammenhang, dass es auch vorteilhaft ist, wenn die maximale Zeit für das Ausheizen eines Messkanals dem Produkt t_K × M mit t_K = Messdauer und M = (Anzahl Messkanäle – 1) entspricht.
Für das Ausheizen hat es sich zusätzlich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausheiztemperatur zwischen 30°C und 150°C liegt. Beispielsweise kann die Temperatur T_R, die zum Ausheizen verwendet wird 80°C betragen. Man erkennt insofern, dass ein weiterer Vorteil der Erfindung darin liegt, dass die Temperatur für das Ausheizen etwa 30°C bis etwa 150°C, bevorzugt etwa 40°C bis etwa 130°C, besonders bevorzugt etwa 50°C bis etwa 120°C beträgt.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Gasmesschips sowie des erfindungsgemäßen transportablen Chipmesssystems und des Verfahrens zum Betrieb des transportablen Chipmesssystems liegt darin, dass – in Fällen sehr starker Kontamination – der Anwender einen ersten für eine Messung verwendeten Gasmesschip gegen einen weiteren bzw. einer Anzahl weiterer Gasmesschips nacheinander austauschen kann. Dies kann solange wiederholt werden bis das endgültige Messergebnis erreicht ist. Die dabei verwendeten Gasmesschips müssen dann jedoch nicht fortgeworfen werden, sondern können entsprechend Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens regenerieren. Dazu können die verwendeten Gasmesschips beispielsweise über Nacht ausgeheizt werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche, sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
1a ein schematisches Beispiel eines erfindungsgemäßen Gasmesschips;
1b eine Aufsicht auf einen Messkanal eines erfindungsgemäßen Gasmesschips, der in 1c im Querschnitt gezeigt ist;
1c Querschnitt durch den in 1b gezeigten Messkanal;
2a Beispiel für einen in einem erfindungsgemäßen Messkanal eines Gasmesschips angeordneten Sensor, nämlich einen CCFET-Sensor;
2b Beispiel für einen typischen Signalverlauf eines Sensors gemäß 2a;
3a ein weiteres schematisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasmesschips;
3b eine Variante des Ausführungsbeispiels aus 3a;
3c eine weitere Variante des Ausführungsbeispiels aus 3a;
4a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen transportablen Chipmesssystems mit einem Gasmesschip und einem Gasmessgerät;
4b ein weiteres Beispiel für ein erfindungsgemäßes transportables Chipmesssystem;
5 schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines transportablen Chipmesssystems.
Der in 1a dargestellte Gasmesschip 10 hat einen Träger 11, auf dem eine Mehrzahl von Messkanälen 20 angeordnet ist. In jedem Messkanal 20 ist wenigstens ein Sensor 30 angeordnet. Jeder Messkanal 20 hat zudem einen Gaseinlass 21 und einen Gasauslass 22. Gaseinlass 21 und Gasauslass 22 sind beim Einsetzen des Gasmesschips 10 in ein Gasmessgerät 100 (vgl. 4a und 4b) mit einem Pumpsystem 120, 121 des Gasmessgerätes 100 verbindbar.
Auf den Träger 11 des Gasmesschips 10 ist weiterhin ein Informationsträger 12 angeordnet. Die Informationen, die in bzw. auf diesem Informationsträger 12 enthalten sind, sind Gasmesschip-spezifische oder Sensor-spezifische Daten, wie Name der nachweisbaren Analyten, Messbereich der Sensoren des Gasmesschips 10, mögliche bzw. minimale Messdauer und dergleichen.
Der Gasmesschip 10 weist weiterhin eine Kontaktvorrichtung 13 auf. Diese ist als seitlicher Streifen auf dem Träger 11 ausgebildet. Andere Ausbildungsvarianten, etwa Kontaktabschnitten, Kontaktpins o. dgl. sind selbstverständlich denkbar.
In 1b erkennt man, dass jede Kontaktvorrichtung 13 einem Messkanal 20 zugeordnet ist. Die Kontaktvorrichtung 13 ist dabei elektrisch leitend mit dem bzw. den in dem Messkanal 20 angeordneten Sensor 30 verbunden. Dies erkennt man insbesondere in 1c: Der Sensor 30 ist auf einer Leiterplatte 24 angeordnet. Diese Leiterplatte 24 steht wiederum mit der Kontaktvorrichtung 13 in Kontakt. Über die Leiterplatte 24 sind elektrische Signale, die der Sensor 30 ausgibt, an die Kontaktvorrichtung 13 übertragbar.
Man erkennt in 1c weiterhin, dass die Leiterplatte 24 in diesem Ausführungsbeispiel eine untere Begrenzung des Messkanals 20 bildet. Die Leiterplatte 24 ist insofern in dem Messkanal 20 angeordnet.
Gaseinlass 21 und Gasauslass 22 des Messkanals 20 sind zudem durch Septumdichtungen 23 verschlossen. Diese Septumdichtungen 23 können beim Einsetzen des Gasmesschips 10 in ein Gasmessgerät 100 aufgestochen werden. Eine Gasprobe strömt dann durch den Gaseinlass 21 in den Messkanal 20 hinein und durch den Messkanal 20 hindurch. Dabei strömt die Gasprobe an dem Sensor 30 vorbei. Ein entsprechend passender, möglicherweise in der Gasprobe enthaltener Analyt kann dann mit dem Sensor 30 wechselwirken. Der Sensor 30 gibt in der Folge ein entsprechend passendes elektrisches Signal aus. Dieses Signal wird wie oben beschrieben von der Leiterplatte 24 an die Kontaktvorrichtung 13 weitergegeben. Die Gasprobe strömt dann durch den Gasauslass 22 wieder aus dem Messkanal heraus. Der in 1a, 1b und 1c sowie in den 3a, 3b und 3c, die nachfolgend beschrieben werden, dargestellte Gasmesschip 10 ist mithin ein Gasmesschip 10 zur Verwendung mit einem Gasmessgerät 100 eines transportablen Chipmesssystems, wobei der Gasmesschip 10 einen Träger 11 und wenigstens zwei Messkanäle 20 aufweist und wobei in jedem Messkanal 20 wenigstens ein regenerationsfähiger, nichtverbrauchender Sensor 30 angeordnet ist. Die Messkanäle 20 des Gasmesschips 10 sind dazu ausgebildet, mit einem Pumpsystem 120 des Gasmessgerätes 100 verbunden zu werden (vgl. 4a und 4b). Der Gasmesschip 10 weist weiterhin eine Kontaktvorrichtung 13 auf, die dazu ausgebildet ist, Informationen der Sensoren 30 an eine Auswerteeinheit 130 (vgl. 4a und 4b) des Gasmessgerätes 100 zu übermitteln. Außerdem weist der Gasmesschip 10 einen Informationsträger 12 auf, der dazu geeignet ist, Informationen über den Gasmesschip 10 an das Gasmessgerät 100 zu übermitteln.
In 2a erkennt man ein Ausführungsbeispiel für einen Sensor 30, der in einem erfindungsgemäßen Gasmesschip 10 verwendbar ist. 2a zeigt dabei einen sogenannten CCFET-Sensor (Capacitively-Controlled Field Effect Transistor Sensor). Dieser CCFET-Sensor hat eine erste Elektrode 31, die mit einer gassensitiven Schicht 32 beschichtet ist und eine zweite Elektrode 34. Zwischen der ersten Elektrode 31 und der zweiten Elektrode 34 ist ein Luftspalt 33 ausgebildet. Der Luftspalt 33 wirkt als Dielektrikum, so dass die Elektroden 31, 34 als Kondensator wirken. Durch den Luftspalt 33 kann beispielsweise ein Analyt an die gassensitive Schicht 32 getragen werden und dort adsorbieren. Eine solche Adsorption führt zu einer Änderung der Kapazität des durch die Elektroden 31, 34 gebildeten Kondensators. Diese Kapazitätsänderung kann durch einen Feldeffekttransistor 35, der mit dem Kondensator verbunden ist, erkannt werden. In der Folge wird ein elektrisches Messsignal S ausgegeben. Dieses elektrische Messsignal S kann dann durch die Leiterplatte 24, auf welcher der Sensor 30 montiert ist, an die Kontaktvorrichtung 13 weitergeleitet werden, wie oben beschrieben.
In 2b ist ein typisches Beispiel für den Signalverlauf eines solchen elektrischen Messsignals S dargestellt. Die gestrichelte Kurve K beschreibt dabei den Konzentrationsverlauf des Analyten. Zum Zeitpunkt t_S steigt das elektrische Messsignal S aufgrund der Adsorption der Analytmoleküle an der gassensitiven Schicht 32 an, um beim Zeitpunkt t_Z1 den Maximalwert zu erreichen. Beim Zeitpunkt t_e wird die Analytkonzentration auf 0 gebracht. Die Analytmoleküle desorbieren dann wieder von der Oberfläche, um zum Zeitpunkt t_Z2 vollständig desorbiert zu sein. Die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t_e und t_Z2 ist dabei diejenige Zeitspanne, die als Regenerationszeit oder Erholungszeit des Sensors 30 bezeichnet wird.
In 3a, 3b und 3c erkennt man weitere Ausführungsbeispiele für einen erfindungsgemäßen Gasmesschip 10. Der Gasmesschip 10 hat auch hier wieder einen Träger 11, auf dem mehrere Messkanäle 20, 20', 20'' angeordnet sind. Jeder dieser Messkanäle 20, 20', 20'' hat einen Gaseinlass 21 und einen Gasauslass 22. Außerdem sind alle Messkanäle 20, 20', 20'' mit einer Kontaktvorrichtung 13 gekoppelt. Auch dieser Gasmesschip 10 hat einen Informationsträger 12.
In jedem der Gasmesskanäle 20 sind mehrere Sensoren 30, 30', 30'' angeordnet. Dabei können sich diese Sensoren 30, 30', 30'' sowohl in der Art ihres Messprinzips als auch in der Spezifität für den jeweils nachweisbaren Analyten unterscheiden. Bei dem in 3b gezeigten Ausführungsbeispiel sind in jedem Messkanal 20, 20', 20'' unterschiedliche Sensoren 30, 30', 30'' angeordnet. Auf diese Weise ist die Analytvielfalt, die mit Hilfe dieses Gasmesschips 10 nachweisbar ist, erhöht. Der Informationsträger 12 enthält dabei Informationen darüber, in welchem der Messkanäle 20, 20', 20'' welche Art von Sensor 30, 30', 30'' angeordnet ist. Das Gasmessgerät 100, in welches ein solcher Gasmesschip 10 eingesetzt wird, kann dann gezielt einen der Messkanäle 20, 20', 20'' auswählen und durch diesen Messkanal die zu untersuchende Gasprobe leiten.
Bei dem in 3c gezeigten Beispiel sind in jedem der Messkanäle 20, 20', 20'' identische Sensoren 30, 30', 30'' angeordnet. Dabei wird zum einen die Analytvielfalt erhöht, indem in den einzelnen Messkanälen 20, 20', 20'' unterschiedliche Sensoren 30, 30', 30'' angeordnet sind. Gleichzeitig bietet dieses Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, bei unerwartet hohen Analytkonzentrationen auf einen weiteren Messkanal 20, 20', 20'' wie oben beschrieben umzuschalten. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Messung auch bei hohen Analytkonzentrationen gewährleistet werden. Außerdem ist dieser Gasmesschip unempfindlich gegenüber auftretenden Memory-Effekten.
Man erkennt insofern, dass der Gasmesschip 10 in 3a bzw. 3b und 3c wenigstens einen Messkanal 20, 20', 20'' aufweist, in dem mehrere regenerationsfähige, nicht verbrauchende Sensoren 30, 30', 30'' angeordnet sind. Man erkennt weiterhin, dass die Sensoren 30, 30', 30'' innerhalb der Messkanäle 20, 20', 20'' in Reihe angeordnet sind.
Die Sensoren 30, 30', 30'' sind ausgewählt aus Cantilever-Sensoren, surface-acoustic-wave-Sensoren, Quarzmikrowaagen, optischen Systemen, Feldeffekttransistor-Systemen oder dergleichen. In einer speziellen Ausführungsform sind die Sensoren 30, 30', 30'' Feldeffekttransistor-Systeme, bevorzugt wie in 2a und 2b beschrieben CCFET-Sensoren. Auch bei diesen Gasmesschips 10 sind die Sensoren 30, 30', 30'' auf einer Leiterplatte 24 angeordnet, wie bereits bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend 1a, 1b und 1c gezeigt. Die Leiterplatte 24 ist auch hier in dem jeweiligen Messkanal 20, 20', 20'' angeordnet. Dabei können alle Sensoren 30 eines Messkanals 20, 20', 20'' auf dem gleichen Messprinzip beruhen. In einer alternativen Ausführungsvariante weist jeder Messkanal 20, 20', 20'' mehrere Sensoren 30, 30', 30'' auf, die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen.
Die 4a und 4b zeigen jeweils eine schematische Darstellung für erfindungsgemäße transportable Chipmesssysteme, die jeweils aus einem Gasmesschip 10 und einem Gasmessgerät 100 bestehen. Der Gasmesschip 10 ist dabei je nach gewünschtem Analyten, der mit dem entsprechenden Gasmesschip 10 nachgewiesen werden soll, austauschbar. Das Gasmessgerät 100 hat eine Aufnahme 110, in die der Gasmesschip 10 einsetzbar ist. Das Gasmessgerät 100 weist weiterhin ein Pumpsystem 120 und eine Auswerteeinheit 130 auf. Das Pumpsystem 120 ist mit den Messkanälen 20, 20', 20'', die auf dem Gasmesschip angeordnet sind, verbindbar. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann das Gasmessgerät 100 dazu ein Nadelsystem aufweisen, das in der Aufnahme 110 angeordnet ist und die Verbindung zwischen dem Gaseinlass 21, Gasauslass 22 und dem Pumpsystem 120 herstellen kann.
Die Auswerteeinheit 130 des erfindungsgemäßen Gasmessgerätes 100 ist in jedem Fall mit der Kontaktvorrichtung 13 des Gasmesschips 10 direkt oder indirekt verbindbar. Dazu weist das Gasmessgerät 100 in einer bevorzugten Ausführungsform ein (nicht dargestelltes) ebenfalls in der Aufnahme 110 angeordnetes Kontaktelement auf, welches eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kontaktvorrichtung 13 und der Auswerteeinheit 130 herstellen kann. Das Kontaktelement kann dabei eine Kontaktfläche, ein Kontaktpin oder dergleichen sein.
In der in 4a dargestellten Ausführungsvariante des Gasmessgerätes 100 ist weiterhin eine Ausleseeinheit 150 vorgesehen. Diese kann Informationen, die der Informationsträger 12 des Gasmesschips 10 bereitstellt, erfassen und entsprechend an die Auswerteeinheit 130 weitergeben. Die Auswerteeinheit 130 berücksichtigt dann bei der Auswertung der erhaltenen elektrischen Signale diese Informationen, beispielsweise indem ein entsprechender passender Algorithmus ausgewählt wird, um die Messergebnisse anzuzeigen oder um entsprechende Messzeiten passend zu gestalten.
Das Gasmessgerät 100 des in 4b dargestellten Ausführungsbeispiels weist wie auch das Gasmessgerät 100 des Ausführungsbeispiels von 4a eine Aufnahme 110 für den Gasmesschip 10 auf, sowie ein erstes Pumpsystem 120, eine Auswerteeinheit 130 und eine Ausleseeinheit 150. Das in 4b dargestellte Gasmessgerät 100 weist zusätzlich ein zweites Pumpsystem 120, ein Display 160 sowie Bedienelemente 140 auf. Die jeweiligen Komponenten dieses Gasmessgerätes 100 sind in 4b (ebenso wie bei dem Gasmessgerät 100 in 4a) lediglich schematisch dargestellt. Es sind jeweils alle Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse 200 angeordnet.
Das bei dem Ausführungsbeispiel in 4b dargestellte zweite Pumpsystem 121 ist mit einem nicht dargestellten Kreislauffiltersystem verbunden. Es dient dazu, analytfreie Luft durch die Messkanäle 20, 20', 20'' des Gasmesschips 10 zu pumpen. Auf diese Weise kann der Gasmesschip 10 bzw. das Gasmessgerät 100 beim Einsetzen des Chips 10 oder zwischen mehreren Messungen kalibriert werden.
Die Bedienelemente 140 und das Display 160 dienen dazu, einem Anwender eine komfortable Handhabung des Gasmessgerätes 100 bzw. des transportablen Chipmesssystems zu ermöglichen.
Man erkennt insofern in den 4a und 4b ein transportables Chipmesssystem mit einem Gasmesschip 10 und einem transportablen Gasmessgerät 100, wobei das Gasmessgerät 100 eine Aufnahme 110, in welche der Gasmesschip 10 einsetzbar ist, wenigstens ein Pumpsystem 120, 121 und eine Auswerteeinheit 130 aufweist, wobei der Gasmesschip 10 ein Gasmesschip 10 ist, der zur Verwendung mit einem Gasmessgerät eines transportablen Chipmesssystems geeignet ist, wobei der Gasmesschip 10 einen Träger 11 und wenigstens zwei Messkanäle 20, 20', 20'' aufweist und wobei in jedem Messkanal 20, 20', 20'' wenigstens ein regenerationsfähiger, nicht verbrauchender Sensor 30, 30', 30'' angeordnet ist.
Mit einem solchen System kann ein Verfahren, wie es in 5 schematisch dargestellt ist, durchgeführt werden. Dabei wird in einem ersten Schritt a) zum Starten des Verfahrens der Gasmesschip 10 in das Gasmessgerät 100 eingesetzt. Beim Einsetzen des Gasmesschips 10 wird wenigstens einer Messkanäle 20, 20', 20'' des Gasmesschips 10 an das Pumpsystem 120, 121 des Gasmessgerätes 100 angeschlossen. Ist das Gasmessgerät 100 mit einem zweiten Pumpsystem 121 entsprechend beispielsweise 4b ausgestaltet, so kann der Gasmesschip 10 in Schritt a) zunächst an das zweite Pumpsystem 121 angeschlossen werden. Dieses zweite Pumpsystem 121 pumpt dann zunächst analytfreie Luft zum Kalibrieren oder Nullen des Gasmesschips 10 durch den bzw. die jeweils angeschlossenen Messkanäle 20, 20', 20''. In einem nächsten Schritt, der in 5 nicht dargestellt ist, und ein Unterschritt von Schritt a) ist, kann dann das erste Pumpsystem 120 an die jeweiligen Messkanäle 20, 20', 20'' angeschlossen werden, um mit dem nächsten Schritt, nämlich Schritt b), fortzufahren.
Man erkennt insofern, dass der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich Schritt a) bei einem Gasmessgerät 100 entsprechend 4b im Einsetzen des Gasmesschips 10 in das Gasmessgerät 100 und anschließen wenigstens eines Messkanals 20, 20', 20'' des Gasmesschips 10 an das Pumpsystem 120 des Gasmessgerätes 100 besteht. Bei einem Gasmessgerät 100 entsprechend 4b kann dieser Schritt auch im Einsetzen des Gasmesschips 10 in das Gasmessgerät 100, Anschließen eines Pumpsystems 121 an das die Messkanäle 20, 20', 20'', Kalibrieren der Messkanäle 20, 20', 20'' und Anschließen des Pumpsystems 120 an einen oder mehrere Messkanäle 20, 20', 20'' nach erfolgter Kalibrierung bestehen. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsvariante ist auch denkbar, dass das erste Pumpsystem 120 zur Kalibrierung des Gasmesschips 10 verwendet wird. Schritt a) umfasst dann die entsprechenden Unterschritte Einsetzen des Gasmesschips 10 in das Gasmessgerät 100, Anschließen wenigstens eines Messkanals 20, 20', 20'' an das Pumpsystem 120 und Kalibieren des Gasmesssystems.
In Anschluss an Schritt a) erfolgt gemäß Schritt b) des in 5 gezeigten Verfahrens die Durchführung einer ersten Messung mit einem ersten Messkanal 20, 20', 20''. Hierzu pumpt das Pumpsystem 120 eine zu analysierende Gasprobe durch den jeweiligen Messkanal 20, 20', 20''. Das Pumpsystem 120 saugt dabei die entsprechende Gasprobe durch den Gaseinlass 21 des Messkanals 20, 20', 20'' in den Messkanal 20, 20', 20'' hinein und durch den Gasauslass 22 wieder heraus. Dabei strömt die zu untersuchenden Gasprobe an dem bzw. den in dem Messkanal 20, 20', 20'' angeordneten Sensoren 30, 30', 30'' vorbei. Diese können entsprechend mit möglicherweise enthaltenen Analyten wechselwirken und ein Signal ausgeben, etwa ein elektrisches Messsignal S wie in 2a dargestellt. Dieses Signal wird über die Leiterplatte 24 an die Kontaktvorrichtung 13 und von dort an das Gasmessgerät 100, nämlich die Auswerteeinheit 130 weitergeleitet.
Wird das Messsystem wie oben beschrieben mit einer sehr hohen Analytkonzentration beaufschlagt, oder wird der Nachweis eines anderen Analyten gewünscht, für den in dem in Schritt b) verwendeten Messkanal 20, 20', 20'' kein passender Sensor 30, 30', 30'' angeordnet ist, so wird im nächsten Schritt c) von dem ersten Messkanal 20, 20', 20'', der in Schritt b) verwendet wird, auf einen neuen Messkanal 20, 20', 20'' umgeschaltet. Die in dem ersten Messkanal 20, 20', 20'' angeordneten Sensoren 30, 30', 30'', die für die erste Messung in Schritt b) verwendet wurden, können dann im nachfolgenden Schritt d) regenerieren. Das heißt die an ihre Oberflächen adsorbierten Analyte können nun desorbieren. Gleichzeitig kann in Schritt d) eine weitere Messung mit dem Messkanal 20, 20', 20'' auf den in Schritt c) umgeschaltet wurde, durchgeführt werden oder es kann die mit dem ersten Messkanal 20, 20', 20'' in Schritt b) begonnene Messung mit diesem Messkanal 20, 20', 20'', auf den umgeschaltet wurde, fortgesetzt werden. Das Umschalten in Schritt c) erfolgt dabei entweder indem der Chip 10 innerhalb der Aufnahme 110 des Gasmessgerätes 100 vorwärts oder rückwärts transportiert wird. Das Gasmessgerät 100 kann dabei in einer nicht dargestellten Ausführungsvariante ein Transportsystem enthalten. Alternativ erfolgt das Umschalten in Schritt c), indem das Pumpsystem 120 innerhalb des Gasmessgerätes 100 derart umgeschaltet wird, dass die zu untersuchenden Gasprobe durch einen anderen Messkanal 20, 20', 20'' gesaugt wird.
Das Regenerieren der Sensoren in Schritt d) umfasst in einer Ausführungsvariante das Ausheizen der Messkanäle 20, 20', 20''. Dazu wird die Temperatur innerhalb des jeweiligen Messkanals 20, 20', 20'', für eine gewisse Zeit auf eine Temperatur von etwa 30°C bis etwa 150°C erhöht. Dabei erhöht sich auch die Temperatur der Sensoren 30, 30', 30'', die in dem entsprechenden Messkanal 20, 20', 20'' angeordnet sind. In einer Ausführungsvariante wird die Temperatur auf etwa 40°C bis etwa 130°C erhöht. In einer weiteren Ausführungsvariante wird die Temperatur auf etwa 50°C bis etwa 120°C erhöht. In noch einer weiteren Ausführungsvariante wird die Temperatur auf 80°C erhöht.
In einer weiteren Ausführungsvariante umfasst das Regenerieren der Sensoren 30, 30', 30'' zusätzlich das Spülen des Messkanals 20, 20', 20'' mit analytfreier Luft. Dabei ist in einer ersten Ausführungsvariante vorgesehen, dass das Regenerieren sowohl das Spülen als auch das oben beschriebene Ausheizen des Messkanals 20, 20', 20'' umfasst. In einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass das Regenerieren, das Spülen oder das Ausheizen des Messkanals 20, 20', 20'' umfasst. Es versteht sich von selbst, dass in allen diesen Varianten stets auch mehrere Messkanäle 20, 20', 20'' gleichzeitig regeneriert werden können.
Die maximale Zeit für das Regenerieren und mithin für das Spülen und/oder das Ausheizen des Messkanals 20, 20', 20'' entspricht dem Produkt aus der Messdauer t_K und der Anzahl der Kanäle, die auf dem Gasmesschip 10 angeordnet sind – 1, das heißt dem Produkt t_K × M mit t_K = Messdauer und M = (Anzahl Messkanäle – 1).
Sind die in Schritt d) zu regenerierenden Sensoren 30, 30', 30'' vollständig regeneriert und wieder einsatzbereit oder ist die in Schritt d) durchgeführte Messung beendet, wird in Schritt e), wie man in 5 erkennt, wiederum auf einen anderen Messkanal 20, 20', 20'' umgeschaltet. Das Umschalten erfolgt entsprechend dem Umschalten in Schritt c). Dabei kann entweder auf den in Schritt b) verwendeten Messkanal 20, 20', 20'' umgeschaltet werden (zurückgeschaltet werden) oder auf einen weiteren ebenfalls auf den Gasmesschip 10 angeordneten Messkanal 20, 20', 20''.
Man erkennt weiterhin in 5, dass gemäß Schritt f) die Schritte d) und e) wiederholt werden können. Dabei ist die Anzahl der Wiederholungen beliebig, das heißt die Schritte d) und e) können beliebig oft hintereinander ausgeführt werden.
Ist keine Wiederholung gemäß Schritt f) gewünscht, so ist das erfindungsgemäße Verfahren beendet.
Man erkennt, dass bei einem solchen Verfahren die Regeneration der Sensoren 30, 30', 30'' umso länger dauern darf, je mehr Messkanäle 20, 20', 20'' auf dem jeweiligen Gasmesschip 10 angeordnet sind. Weist ein Gasmesschip 10 beispielsweise fünf Messkanäle 20, 20', 20'' auf und soll jeder Messkanal für eine Zeit von zwei Minuten zur Messung entsprechend Schritt b) oder Schritt d) verwendet werden, so können die Sensoren 30, 30', 30'', die in den jeweils gerade nicht verwendeten Messkanälen 20, 20', 20'' für jeweils acht Minuten regeneriert werden, ohne dass die Messfrequenz von zwei Minuten erniedrigt werden müsste.
Das in 5 gezeigte Verfahren zum Betrieb eines transportablen Chipmesssystems mit einem Gasmesschip 10 und einem transportablen Gasmessgerät 100, wobei das Gasmessgerät 100 eine Aufnahme 110, in welcher der Gasmesschip 10 einsetzbar ist, wenigstens ein Pumpsystem 120, 121 und eine Auswerteeinheit 130 aufweist, und wobei der Gasmesschip 10 zur Verwendung mit einem Gasmessgerät 100 eines solchen transportablen Chipmesssystems geeignet ist, wobei der Gasmesschip 10 einen Träger 11 und wenigstens zwei Messkanäle 20, 20', 20'' aufweist und wobei in jedem Messkanal 20, 20', 20'' wenigstens ein regenerationsfähiger, nicht verbrauchender Sensor 30, 30', 30'' angeordnet ist, weist mithin die Schritte auf:

a) Einsetzen des Gasmesschips 10 in das Gasmessgerät 100 und Anschließen wenigstens eines Messkanales 20, 20', 20'' des Gasmesschips 10 an das Pumpsystem 120, 121 des Gasgerätes 100,
b) Durchführung einer Messung mit einem ersten Messkanal 20, 20', 20'',
c) Umschalten auf einen von dem ersten Messkanal 20, 20', 20'' verschiedenen Messkanal 20, 20', 20'',
d) Regenerieren der Sensoren 30, 30', 30'' des zuletzt verwendeten Messkanals 20, 20', 20'' und optional gleichzeitiges Durchführen einer Messung mit dem Messkanal 20, 20', 20'', auf den im vorangehenden Schritt umgeschaltet wurde,
e) Umschalten auf einen Messkanal 20, 20', 20'', der von dem im vorangehenden Schritt zur Messung verwendeten Messkanal 20, 20', 20'' verschieden ist,
f) optional Wiederholen der Schritte d) und e).

Man erkennt weiterhin in 5, dass das Regenerieren der Sensoren 30, 30', 30'' in Schritt d) das Ausheizen der Messkanäle 20, 20', 20'' umfasst. Die maximale Zeit für das Ausheizen eines Messkanals 20, 20', 20'' entspricht dem Produkt t_K × M mit t_K = Messdauer und M = (Anzahl Messkanäle – 1). Die Temperatur für das Ausheizen beträgt etwa 30°C bis etwa 150°C, bevorzugt etwa 40°C bis etwa 130°C, besonders bevorzugt etwa 50°C bis etwa 120°C.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und Vorteil, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

S: Messsignal
K: Kurve
t_s: Zeitpunkt
10: Gasmesschip
11: Träger
12: Informationsträger
13: Kontaktvorrichtung
20: Messkanal
20': Messkanal
20'': Messkanal
21: Gaseinlass
22: Gasauslass
23: Septumdichtung
24: Leiterplatte
30: Sensor
30': Sensor
30'': Sensor
t_z1: Zeitpunkt
t_e: Zeitpunkt
t_z2: Zeitpunkt
31: Elektrode
32: gassensitive Schicht
33: Luftspalt
34: Elektrode
35: Feldeffekttransistor
100: Gasmessgerät
110: Aufnahme
120: Pumpsystem
121: Pumpsystem
130: Auswerteeinheit
140: Bedienelemente
150: Ausleseeinheit
160: Display
200: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Albert et al, Chem. Rev. 2000, 100, 2595–2626 [0005]

Claims

Gasmesschip (10), zur Verwendung mit einem Gasmessgerät (100) eines transportablen Chipmesssystems, wobei der Gasmesschip (10) einen Träger (11) und wenigstens zwei Messkanäle (20, 20', 20'') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Messkanal (20, 20', 20'') wenigstens ein regenerationsfähiger, nichtverbrauchender Sensor (30, 30', 30'') angeordnet ist.
Gasmesschip gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkanäle (20, 20', 20'') dazu ausgebildet sind, mit einem Pumpsystem (120, 121) des Gasmessgerätes (100) verbunden zu werden.
Gasmesschip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmesschip (10) eine Kontaktvorrichtung (13) aufweist, die dazu ausgebildet ist, Informationen der Sensoren (30, 30', 30'') an eine Auswerteeinheit (130) des Gasmessgerätes (100) zu übermitteln.
Gasmesschip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmesschip (10) einen Informationsträger (12) aufweist, der dazu geeignet ist, Informationen über den Gasmesschip (10) an das Gasmessgerät (100) zu übermitteln.
Gasmesschip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Messkanal (20, 20', 20'') mehrere regenerationsfähige, nichtverbrauchende Sensoren (30, 30', 30'') angeordnet sind.
Gasmesschip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerationsfähigen Sensoren (30, 30', 30'') innerhalb eines Messkanals (20, 20', 20'') in Reihe angeordnet sind.
Gasmesschip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerationsfähigen Sensoren (30, 30', 30'') ausgewählt sind aus Cantilever-Sensoren, surface-acoustic-wave-Sensoren, Quarzmikrowaagen, optische Systeme, Feldeffekttransistor-Systeme oder dergleichen, bevorzugt Feldeffekttransistor-Systeme, ganz besonders bevorzugt CCFET-Sensoren.
Gasmesschip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der Messkanäle (20, 20', 20'') eine Leiterplatte (24) angeordnet ist, auf der die Sensoren (30, 30', 30'') dieses Messkanales (20, 20', 20'') angeordnet sind.
Gasmesschip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Messkanal (20, 20', 20'') mehrere Sensoren (30, 30', 30'') aufweist, die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen.
Gasmesschip gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensoren (30, 30', 30'') eines Messkanals (20, 20', 20'') auf dem gleichen Messprinzip beruhen.
Transportables Chipmesssystem mit einem Gasmesschip (10) und einem transportablen Gasmessgerät (100), wobei das Gasmessgerät (100) eine Aufnahme (110), in welche der Gasmesschip (10) einsetzbar ist, wenigstens ein Pumpsystem (120, 121) und eine Auswerteeinheit (130) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmesschip (10) ein Gasmesschip (10) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.
Verfahren zum Betrieb eines transportablen Chip-Messsystems entsprechend Anspruch 11, mit den Schritten a. Einsetzen des Gasmesschips (10) in das Gasmessgerät (100) und Anschließen wenigstens eines Messkanals (20, 20', 20'') des Gasmesschips (10) an das Pumpsystem (120, 121) des Gasmessgerätes (100), b. Durchführung einer Messung mit einem ersten Messkanal (20, 20, 20''), c. Umschalten auf einen von dem ersten Messkanal (20, 20', 20'') verschiedenen Messkanal (20, 20', 20''), d. Regenerieren der Sensoren (30, 30', 30'') des zuletzt verwendeten Messkanals (20, 20', 20'') und optional gleichzeitiges Durchführen einer Messung mit dem Messkanal (20, 20', 20''), auf den im vorangehenden Schritt umgeschaltet wurde, e. Umschalten auf einen Messkanal (20, 20', 20''), der von dem im vorangehenden Schritt zur Messung verwendeten Messkanal (20, 20', 20'') verschieden ist, f. optional Wiederholen der Schritte d. und e..
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerieren der Sensoren (30, 30', 30'') in Schritt d. das Ausheizen der Messkanäle (20, 20', 20'') umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Zeit für das Ausheizen eines Messkanals (20, 20', 20'') dem Produkt t_k × M mit t_k = Messdauer und M = (Anzahl Messkanäle – 1) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur für das Ausheizen etwa 30°C bis etwa 150°C, bevorzugt etwa 40°C bis etwa 130°C, besonders bevorzugt etwa 50°C bis etwa 120°C beträgt.